基于真空吸力的水果采摘装置的设计

中国是世界上最大的水果出产国，居全球13个产量超1000万吨的国家之首。水果采收作为果园生产全过程中一个重要的环节，具有季节性强和劳动密集性的特点。所用的劳动力占整个生产过程所用劳动力的35%到45%，并且人工采摘劳动强度大[1]。对于那些水果种植面积广、环境复杂的果园，若采用人工采摘，不仅效率低、劳动量大并且容易在采摘过程中造成果实损伤。如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。而采用辅助人工采摘机械采收能减轻人们的劳动强度、节省成本、提高效率，并提供更多的利润。加之未来人口老龄化趋势，人工成本必要上升，因此辅助人工采摘必将具有巨大的经济效益和广泛的应用前景。虽然现如今的市面上已经有很多相关的人工辅助采摘装置在售卖，但是它们都具有共同的一些缺点，如采摘效率相比于人工并未较大提高，采摘过程容易损伤水果，特别对于生长复杂的果树，普通的辅助装置的采摘就会受到很大的限制。针对以上情况，设计了一种新型的人工辅助真空抽气水果采摘机。

1 整体方案的设计

1.1 设计条件

本文设计的装置用于大中小型果园的水果采摘，水果树高大并且较硬的球形水果，如苹果、桃子、梨等类球形水果

（1）果树高度约2到4米。

（2）采摘水果为球状，直径是70MM到110MM[2]。

1.2 整体结构

图1 整体结构

其中包括无油真空泵、高、低压桶部分，控制部分（三通阀）、伸缩部分（分段式工作杆）、采摘执行部分（漏斗吸盘）、过滤器、移动底座(推车)等。

2 主要工作部件的设计及工作原理

2.1 设计内容

（1）无油真空泵：实现抽气、排气功能；（2）高、低压桶：创造真空环境；（3）三通阀：能控制抽气和排气的开关；（4）分段式工作杆：杆件简单进行长度调节适合不同高度的果树采摘作业；（5）采摘执行部分：实现各个方向水果准确安全的采摘和放置；（6）过滤器：过滤掉灰尘杂质，保护泵里零部件过快损坏[3]；（7）移动底座：将所有零件固定在底座架子上，方便人工搬运。

2.2 整体结构原理

本水果采摘装置结构简单，其中包括无油真空泵、高压桶、低压桶、三通阀、过滤器、漏斗吸盘、分段式工作杆。其中分段式工作杆是为了完成不同高度的采摘工作而设计的。由通电后的无油真空泵抽取低压桶内的气体，使桶内的气压不断降低形成真空而具有吸力[4]，手动将分段杆末端相连的漏斗吸盘部分对准所需要采摘的水果，手动打开分段杆下端的控制开关，利用气压差产生的力吸附水果拉扯采摘。若需将水果放置于收集筐内；调节阀门，使分段杆连通高压桶内的高压气体（有低压桶内抽取气体充入高压桶），产生推力，水果自动从末端机械手中落下，往复使用。

3 结构设计

3.1 分段式工作杆设计及材料选择

为满足不同高度果树的采摘工作，利用三段尺寸分别为100cm，50cm，50cm的铝塑管实现操作杆的长度调节。工作杆的一端接入三通阀、另一端接吸盘机械手完成采摘工作，选择铝塑管这种材料减轻装置的整体重量，方便果农搬运及轻松手持。选择铝塑管的原因是它是一种由中间纵焊铝管，内外层聚乙烯塑料以及层与层之间热熔胶共挤复合而成的新型管道。聚乙烯是一种无毒，无异味的塑料，具有良好的耐撞击、耐腐蚀、抗天候性能。中间层纵焊铝合金使管子具有金属的耐压强度，耐冲击能力使管子易弯曲不反弹，铝塑复合管拥有金属管坚固耐压和塑料管抗酸碱耐腐蚀的两大特点。

3.2 控制开关部分设计

使用三通阀作为本装置的控制开关部分。三通阀阀体有三个口，一进两出，(左进，右和下出)和普通阀门不同的是底部有一出口，当内部阀芯在不同位置时，出口不同，如阀芯在下部时，左右相通，如阀芯在上部时，右出口被堵住，左和下口通。在这次装置中左，右，上三个口分别接入低压桶，高压桶和分段式操作杆，从而实现利用气压差采摘水果以及放置水果。若三通阀未配置开关，则可密封连接双通阀后再装配其他部件。

4 结语

（1）真空抽气原理的巧妙运用，使用范围广泛，减少对水果的伤害，便于采摘。（2）工作杆设计为分段式，简便调整合适长度，亦可分批次采摘。（3）操作者需要合理使用三通阀，灵活实现对水果抓放的控制。（4）经过实地的考察与测试，我们能成功采摘某些比较偏僻、人工采摘不到地方的水果，且采摘率为100%，并且水果的损伤程度几乎没有，不影响商家的销售。我们不需要爬梯子，也不需要有另一个人在地面上辅助，采摘效率高出人工3至5倍，满足现市场的需求，具有良好的发展前景。（5）本设计还有许多地方仍有待改进，可以再进一步提高伸缩杆的灵活性，避免出现采摘完高处的水果后难以收回的现象，导致无法将水果快速放入车篮的困难；车轮可设计为履带式以适应果园不平的地势。